¿Cómo extraer y purificar colorantes naturales?

1 Colorantes colorantes naturalesOverview (en inglés)

Los pigmentos se pueden dividir en dos categorías principales:Colorantes colorantes naturalesyPigmentos sintéticos. Un tipo son los pigmentos químicos sintetizartificialmente, la mayoría de los cuales son compuestos de tipo azo. Algunos de estos pueden ser metabolizados en el cuerpo humano para formar − -naftilamina y − -amino-1-naf, que tienen ciertos efectos secundarios tóxicos en el cuerpo humano. El otro tipo son los pigmentos derivados de plantas naturales, animales, microorganismos, etc., que se llaman colorantes naturales. Dado que los colorantes naturales no son tóxicos e inofensivos para el cuerpo humano, de alto valor nutricional, y algunos tienen ciertas actividades biológicas. Por lo tanto, la investigación y el desarrollo de colorantes naturales no tóxicos e inofensivos también se ha convertido en la tendencia del desarrollo de pigmentos.

1.1 breve historia del desarrollo de colorantes alimentarios naturales

Colorcolorde alimentos naturales tiene una larga historia como un agente colorante de alimentos. Antiguos textos chinos como Shijing y Qimin Yaoju contienen registros de coloración de vino y comida con pigmentos vegetales naturales. En el antiguo Egipto y la India, por ejemplo, se utilizaban pigdel sorgo para teñir artículos. En el siglo IV a. C., los habitantes de la antigua Bretaña comenzaron a utilizar pigmentos más ásperos para colorear el vino [2].

En 1856, el profesor W.H. Perkins del Reino unido inventó el world's primer pigmento orgánico sintético, "violeta de anilina", y muchos otros pigmentos orgánicos fueron sintetizdespués de eso [1]. Debido a que estos pigmentos son de color brillante, estables en la naturaleza, fuertes en poder de coloración, fácilmente solubles, de calidad uniforme, adecuados para la mezcla de color, inodory de sabor, y de bajo costo, rápidamente reemplaza la mayoría de los colorantes naturales.

En el siglo XX, con el desarrollo continuo de la toxicología y la química analítica, los seres humanos gradualmente entendieron el mecanismo de transformación de los pigmentos sintéticos después de entrar en el cuerpo humano, y se dieron cuenta de que la mayoría de los pigmentos sintéticos que entran en el cuerpo humano pueden causar toxicidad crónica más grave y teratogenicidad y carcinogeni. En respuesta, los países de todo el mundo han promulleyes y reglamentos relevantes para restringir estrictamente el uso de pigmentos sintéticos. Como resultado, ahora hay sólo un número limitado de colores alimentarios sintéticos disponibles. Por ejemplo, cuando los colores sintéticos eran más ampliamente utilizados en varios países alrededor del mundo, había más de 100 variedades. Sin embargo, hoy en día sólo hay siete en Estados Unidos, ocho en China, y algunos países como Noruega han prohibido completamente el uso de cualquier color sintético [2]. En comparación con los colores sintéticos, aunque la mayoría de los colores naturales son susceptibles a diversas condiciones en los alimentos, sus colores son menos vivos, y también son más caros. Sin embargo, es seguro, tiene un color claro, y da una sensación sutil de no añadir color, que cumple con las necesidades psicológicas de los consumidores. Con el progreso de la ciencia y la tecnología en los últimos años, la estabilidad del colornatural se ha mejorado, y la aplicación del producto es más conveniente y seguro. La industria alimentaria#39;s elección de coloración es cada vez más tendencia hacia el color natural.

Los colorantes naturales de alimentos se han convertido en la corriente principal del mercado de colorantes. El tamaño actual del mercado de colorantes naturales para alimentos es de 250 millones de dólares, y si se agregcolorantes naturales sintéticos, el valor de mercado llega a 440 millones de dólares. Basado en el altoSeguridad alimentariaY la mejora de la estabilidad de los colorantes naturales, se prevé que la tasa de crecimiento anual de los colorantes naturales en el futuro será de 5% a 10% [3]. China's alimento colornatural es de unos 25.000 V años, colorcaramel representa el 80%, y el resto esExtractos extractos de plantasY productos de fermentación microbiana. Hay 65 tipos de colorantes alimentarios aprobados para su uso en China, de los cuales 48 son extractos de plantas [4]. 1.2 50,000 toneladas/año, con coloración de caramelo que representa el 80% y el resto son extractos de plantas y productos de fermentación microbiana. Existen 65 colorantes alimentarios aprobados para su uso en China, de los cuales 48 son extractos de plantas [4].

1.2 clasificación de colorantes alimentarios naturales

Los colorantes alimentarios naturales se pueden clasificar de acuerdo con la estructura química, origen morfoly solubilidad. El método más común es clasificar de acuerdo a la estructura química. Los colorantes naturales en las plantas se pueden dividir en cuatro categorías de acuerdo con sus estructuras químicas :5 derivados pirrol; Polienos (carotenoides); Pigmentos fenólicos; Y cetonas y quinonas.

1.3 características y propiedades de los colorantes alimentarios naturales

Colornatural de alimentosTiene las siguientes características [6]:

(1) la mayoría de los colorantes naturales provienen de tejidos animales y vegetales, por lo que no son tóxicos y tienen una alta seguridad. La mayoría de los pigmentos vegetales naturales son antocianinas, flavonoides y carotenoides. Por lo tanto, el colornatural de los alimentos no sólo no es tóxico e inofensivo, sino que también contiene muchos nutrientes esenciales para el cuerpo humano o es en sí mismo una vitamina o una sustancia similar a la vitamina, como la riboflav, el licopeno, y− -caroteno;

(2) los colorantes naturales tienen un tono más Natural y pueden imitar mejor los colores de sustancias naturales. El tono de la coloración es más natural.

(3) debido a las diferentes estructuras químicas deColorantes colorantes naturalesLas propiedades de varios pigmentos también son diferentes.

2 extracción de colorantes naturales

2.1 método de extracción

Este es actualmente el método más comúnmente utilizado para extraer colorantes naturales. El principio es separar los componentes objetivo basados en sus diferentes solubilidades en diferentes solventes. El proceso de extracción consiste en el secado y trituración de las materias primas, seguido de la extracción con un disolvente, separación, concentración, secado y refinpara obtener el producto terminado. TakePigmentos carotenoidesComo ejemplo. La mayoría de los carotenoides son altamente lipofílicos, fácilmente solubles en disolventes como cloroformy acetona, y casi insolubles en agua, etanol y metan. Los carotenoides de hidrocarburos son aún más lipofílicos y se pueden disolver en éter de petróleo o alcanos. Si la estructura de un carotenoide contiene grupos que contienen oxígeno, la lipofilicidad disminuye y la hidrofiliaumenta con el aumento en el número de grupos que contienen oxígeno. La solubilidad en éter de petróleo disminuye, mientras que la solubilidad en etanol y metanaumenta. Se seleccionarán diferentes disolventes de extracción de acuerdo con las diferentes propiedades del pigmento durante la extracción.

2.2 método de extracción por microondas

El flujo de proceso de la tecnología de extracción asistida por microondas para la extracción de colorantes naturales es: pretratamiento de materias primas - mezcla de disolvente y materias primas - extracción por microondas - enfriamiento - filtración - filtrado - separación de disolvente y componentes extraídos - componentes extraídos [". Yao Zhongming et al. 8 determinaron las condiciones para la extracción del pigmento amarillo gardenia por extracción por microondas usando experimentos de un solo factor: potencia de extracción 210W, agente de extracción 500g/L solución acuosa de etanol, tiempo de extracción 80, serie de extracción 2, y relación líquimaterial 1:12. Bajo estas condiciones, la tasa de extracción de pigmento alcanzó el 98.2%, con un valor de color de 56.94. Los experimentos han demostrado que la extracción por microondas de gardeniaPigmento amarilloTiene las ventajas de un alto rendimiento de pigmento, alto valor de color, solvente y ahorro de tiempo, y un equipo simple en comparación con los métodos tradicionales de extracción. Tiene amplias perspectivas de aplicación en el proceso de extracción de colorantes naturales. En comparación con la tecnología de extracción por calentamiento tradicional, la tecnología de extracción por microondas tiene las ventajas de un tiempo de extracción corto, baja temperatura, bajo consumo de energía y alta calidad. Los resultados reales del uso de esta tecnología para extraer colorantes alimentarios naturales muestran que la tecnología de extracción por microondas es un nuevo proceso con buenas perspectivas de desarrollo. Aunque la extracción por microondas de colorantes alimentarios naturales ha logrado algunos resultados importantes en el trabajo experimental, su alcance de aplicación es limitado debido a sus características. Actualmente sólo se encuentra en el nivel de la experimentación a pequeña escala, y todavía hay mucho trabajo por hacer antes de que pueda aplicarse industrialmente.

2.3 extracción de fluido supercrítico

El fluido supercrítico (SF) se refiere a un fluido cuyo estado termodinámico está por encima del punto crítico. SF es un fluido en un estado especial entre los Estados gaseoso y líquido cuando la interfaz gas-líquido está en un estado crítico. Tiene propiedades fisicoquímicas muy únicas. Los fluidos supercríticos tienen una viscocercana a la de un gas, una densidad cercana a la de un líquido, y un coeficiente de difusión entre el de un gas y un líquido. Tienen las ventajas tanto de gases como de líquidos, siendo tan fácilmente difucomo los gases y teniendo una fuerte solubilidad como los líquidos.

La extracción de fluido supercrítico (SCFE) es un nuevo tipo de tecnología de extracción y separación. En los últimos veinte años, la tecnología de SCFE ha sido ampliamente utilizada en las industrias químicas, farmacéuticas y alimentarias. En años recientes, se han hecho intentos para aplicar la tecnología de SCFE a la extracción de colorantes naturales. Shao Wei et al.] realizaron un estudio preliminar sobre la extracción del pigmento de arroz de levadura roja por supercrítico CO −, y obtuvieron las condiciones óptimas de operación para la extracción del pigmento de arroz de levadura roja por supercrítico CO − : temperatura de extracción 50%, temperatura de extracción 50%, presión de extracción 20MPa, CO − flujo 10kg/h, tiempo de extracción 4h. Li Shoujun [12] utilizó la extracción supercrítica de CO₂ para extraer pigmentos rojos naturales de bayas de licio. El experimento confirmó que el grado de aplastamiento de la muestra, humedad de la materia prima, tiempo de extracción, temperatura, presión y caudal son factores importantes que afectan la velocidad de extracción, y se determinaron las condiciones óptimas del proceso: la muestra es aplastada a 40 mallas, el contenido de humedad de la materia prima es de aproximadamente 5%, el tiempo de extracción es de 100 min, la temperatura de extracción es de 35 °C, la presión de extracción es de 35 MPa, y el caudal del fluido supercrítico CO₂ es de 25 kg/h. La tasa de extracción en las condiciones óptimas es de alrededor del 88%. Sin embargo, el principal problema que afecta actualmente a su aplicación es el elevado coste de inversión de los equipos de extracción supercrítica.

2.4 método de extracción ultrasónica

Li Yunyang et al. [13] encontraron en un estudio sobre el uso de ultrasonido para ayudar en la extracción de pigmentos de las cáscaras de castaño que la extracción ultrasónica tiene las ventajas de tiempos de extracción más cortos y mayores tasas de extracción de pigmentos que la extracción convencional, que puede mejorar en gran medida la eficiencia de la producción. Wang Zhenyu et al. [14] también estudiaron el proceso de extracción ultrasónica de pigmentos de la Kai de flores grandes. Los parámetros óptidel proceso de extracción se determinaron para ser: una frecuencia ultrasónica de 30 kHs, un agente de extracción de diluido H → SO → a 2% por masa, un tiempo de tratamiento de 40 min, y una tasa de extracción de 50 ₂ C. En la extracción de licopense utilizó una potencia de 320 W, el tiempo de extracción fue de 6 min, el tiempo ultrasónico fue de 3 s, el tiempo de intervalo fue de 4 s, la relación sólido-líquido fue de 1:2 y se repila extracción dos veces. La tasa de extracción de licopenfue de 96,83%. Comparado con la extracción supercrítica de CO₂, es bajo en costo, bajo en inversión, y alto en eficiencia de extracción [15]. Wang Qiufen et al. [16 estudiaron el uso de ultrasonido para mejorar la extracción de limoneno con disolventes orgánicos. Los resultados experimentales mostraron que la extracción por ultrasonidos no sólo acortó el tiempo de extracción en comparación con la extracción por agitación, sino que también aumentó la velocidad de extracción. La prueba de extracción de la curcumina mostró que la extracción mejorada por ultrasonido tenía la tasa de extracción más rápida, y su tasa de extracción era ligeramente superior a la del método Soxhlet [17].

3 purificación del pigmento

El producto líquido obtenido por concentración del extracto obtenido mediante un proceso de extracción convencional, o el producto sólido obtenido por secado del líquido, es un colornatural crudo. Sin purificación, el producto tiene un valor de color bajo, alto contenido de impurezas, y algunos tienen un olor especial de la materia prima en sí, mientras que otros tienen una fuerte absorción de agua y no puede ser utilizado. Estos afectan directamente a la estabilidad y propiedades de coloración de los pigmentos naturales, limitando su aplicación. Por lo tanto, la tecnología avanzada de separación y purificación debe introducirse en el proceso de producción de colorantes naturales para su refin, lo que puede mejorar el rendimiento de los colorantes naturales comestibles y ampliar su ámbito de aplicación.

3.1 método de refinde ultrafiltración

El proceso de purificación paraColorantes colorantes naturalesPuede utilizar una membrana de ultrafiltración con un tamaño de poros adecuado, de modo que moléculas de agua e incluso pequeñas impurezas moleculares puedan pasar a través de la membrana de ultrafiltración, mientras que los principios activos en el solvente se separan, puriel pigmento hasta un cierto grado y concentrarlo muchas veces. Los colorantes naturales ya han sido purificados con membranas de ultrafiltración en el extranjero, y en China también se están llevando a cabo investigaciones al respecto. He Chongyan et al. [18 utilizaron un método de ultrafiltración y nanofiltración de dos pasos para separar, puriy concentrar eficazmente el pigmento rojo de remolacha, y la calidad del producto cumplió con las normas nacionales (GB8271-87) y las normas internacionales (FAO/ OMS).

3.2 método de purificación con resina de adsor.

La resina de adsores un tipo de polímero que se caracteriza por la adsory tiene el efecto de concentrar y separar la materia orgánica. Es ampliamente utilizado en la separación, preparación y purificación de materia orgánica. Las características de adsorde la resina de adsorpara sustancias dependen principalmente de las propiedades químicas, área de superficie específica y tamaño de poros de la superficie del material adsorbente. De acuerdo con las propiedades superficiales de la resina, las resinas de adsorse dividen generalmente en tres categorías: no polar, medio polar y polar. Las resinas de adsorno polares son adecuadas para la adsorde solutos no polares de disolventes polares, las resinas de adsorneupueden ser utilizadas para adsorsoluno polares de disolventes polares y también para adsorsolucon una cierta polaridad de solventes no polares. Las resinas de adsorpolar son adecuadas para la adsorde solutos polares a partir de disolventes no polares. La operación de una resina de adsorgeneralmente incluye procesos tales como adsor, eluo regeneración y enjuague. El material apropiado de la resina adsorbente y el adsorbente y eluente específicos son seleccionados de acuerdo a la naturaleza de los diferentes pigmentos. La adsorción y la desorción se pueden utilizar para lograr el propósito de refinpigmentos [19].

El método de adsorde la resina macroporse está volviendo más y más ampliamente utilizado en el refindel pigmento debido a su bajo consumo de disolvente orgánico, bajo consumo de energía, gran capacidad de adsor, rápida velocidad de adsor, fácil desorción y reutilización. Por ejemplo, el Instituto de la industria ligera de Tianjin utilizó resina de adsorpara refinel colornatural rojo rábano, y el valor del color aumentó en más de 15 veces [2]; Bi Hongxia et al. [21] utilizaron la resina de adsorab-8 para refinel pigmento rojo ciruela europeo, y la tasa de recuperación de los cristales de pigmento fue de 61,8%, y el valor de color alcanzó 15,48; Peng Yongfang et al. [22] utilizaron resina de adsormacroporosa para separar el pigmento amarillo de Melia azedarach, y la calidad del producto mejoró considerablemente; Ma Yinhai et al. 23 utilizaron resina de adsorpara adsory separar el pigmento rojo de la col rizada. 48; Peng Yongfang et al. [22 utilizaron resina de adsormacroporosa para separar el pigmento amarillo de la flor de mielnodriza, y la calidad del producto se mejoró considerablemente; Ma Yinhai et al. 23 utilizaron resina de adsorpara adsory separar el pigrojo de la col rizada y también obtuvieron buenos resultados.

Cromatografía en Gel

El principio de la cromatode gel para separar soluciones de pigmento es que cuando una solución de pigmento pasa a través de una columna de gel, las moléculas de pigmento que son más pequeñas que los poros del gel pueden entrar libremente en el interior del gel, mientras que las moléculas que son más grandes que los poros del gel no pueden entrar en el interior del gel y sólo pueden pasar a través de los espacios entre las partículas del gel, por lo que las tasas de migración son diferentes. Las sustancias con moléculas grandes no se excluyen y avanzan con la fase móvil, mientras que las sustancias con moléculas pequeñas se retienen debido a la difusión en los poros y se mueven detrás de la fase móvil, separando así las dos [24]. La cromatoen Gel tiene las ventajas de un equipo sencillo, operación conveniente, no requiere regeneración para cada cromato, y protección efectiva de la actividad de las sustancias separadas. La cromatoen Gel se ha convertido en una técnica indispensable no sólo para separar y purimacromoléculas biológicas como las proteínas, sino también para puripigmentos. Lu Xiaoling et al. [25 usaron un gel de dextrancomo apoyo en el estudio de la gardenia refin.Pigmento amarilloY consiguió un buen efecto refinador con un rendimiento del 48,9%.

4 conclusión

Los ingredientes naturales para colorear alimentos están ampliamente disponibles y vienen en una amplia gama de colores. La tarea urgente a la que se enfrentan los investigadores es seleccionar aquellas que sean abundantes en recursos, de bajo costo, estables, de color vibrante, no tóxicas e inofensivas, y que tengan demanda en el mercado. Se necesita una amplia investigación para extraer nuevos pigmentos a partir de nuevos recursos, desarrollar eficiente y económicoNatural Colorant Técnicas de extracción y separación, y mejorar la estabilidad de los colorantes naturales existentes a la luz, el calor, el pH, y los iones metálicos.

Referencias:

[1] Zhang Hua, Li Jinglin. Reflexiones sobre la investigación y el desarrollo de colorantes naturales comestibles [J]. Liaoning Agricultural Science, 1996(6):27-29

[2] Wang Cheng. Proceso de extracción y propiedades físicas y químicas del pigmento rojo de remolacha [D]. Master' tesis, universidad tecnológica de Nanjing

[3] Yang Huqing, Huang Sujuan. The past, present and future of Food coloring [J] (en inglés). China Food Additives, 2002(3):11

[4] Liu Lianfang. Nuevas variedades y desarrollos de aditivos alimentarios en China [J]. Ciencia y tecnología de la industria alimentaria, 1999(3)

[5] Wang Taoyun, Wang Fei, Wan Chengyong. Investigación y desarrollo de pigmentos vegetales naturales en China [J]. Industria alimentaria (número especial sobre aditivos alimentarios y excipientes/aditivos alimentarios), 2001(3):32-33

[6] Wen Guangyu, Zhu Wenxue. Extracción, desarrollo y utilización de pigmentos vegetales naturales [J]. Journal of Henan University of Science and Technology (Agronomy Edition), 2003,(6):68-74

[7] Lu Jiufang, Li Zongcheng, Bao Tiezhu. Proceso de separación química. Beijing: Tsinghua University Press, 1993: 118-129

[8] Yao Zhongming, Lv Xiaoling, Chu Shucheng. Estudio sobre el proceso de extracción del pigmento amarillo gardenia - comparación del método de extracción por microondas con el método de extracción tradicional. Journal of Tianjin Institute of Light Industry, 2001, (4): 20-23

[9] Li Qiaoling. Aplicación de la tecnología de extracción por microondas en la extracción de colorantes alimentarios naturales. China Food Additives, 2003, (4): 105-107

[10] Zheng Jianxian. Tecnología de separación en ingeniería alimentaria [M]. Beijing: prensa de la industria ligera, 1999: 50-68

[11] Shao Wei, Tang Ming, Xiong Ze. Estudio sobre la extracción del pigmento de arroz de levadura roja por supercritical CO₂. China Brewing, 2005,(7):22-24

[12] Li Shoujun. Estudio sobre las condiciones del proceso de extracción del pigmento rojo de la baya de licio por fluido supercrítico CO2. China Food Additives, 2004,(2):25-27

[13] Li Yunyuan, Song Guangsen. Estudio sobre la extracción del pigmento de la castaña con ayuda del ultrasonido [J]. Aditivos alimentarios, 2003,(8):57-58,65

[14] Wang Zhenyu, Zhao Xin. Estudio sobre la extracción de pigmentos de las flores de las grandes flores Kui por ultrasonido [J]. Forest Chemical Industry, 2003,(2):65-67

[15] Zuo Airen, Fan Qingsheng. Estudio sobre la extracción de licopeno por onda ultrasónica. Food Industry, 2003,(5):36-38

[16] Wang Qiufen, Song Zhanqian, Zhao Shuying, et al. Onda ultrasónica para potenciar la extracción del aceite de neem con disolventes orgánicos. Forest Product Chemistry and Industry, 2004,24(1):25-28

[17] Qin Wei, Zheng Tao, Yuan Yonghui, et al. Aumento del campo ultrasónico de la extracción de curcumina [J]. Journal of Tsinghua University, 1998, 38(6): 46-48

[18] He Chongyan, Feng Chunsheng, Wang Li, et al. Investigación sobre técnicas de refinado y estabilización del pigmento rojo de remolacha [J]. China Food Additives, 1998, (2): 10-13

[19] Zheng Jianxian. Tecnología de separación en ingeniería alimentaria [M]. Beijing: prensa de la industria ligera, 1999: 50-68

[20] Wu Yanwen. Extracción y purificación del colornatural rojo rábano [D]. Master' tesis, Tianjin College of Light Industry, 1998

[21] Bi Hongxia, Li Jianwei, Chen Wei, et al. Adsory purificación del pigmento rojo de la ciruela europea mediante la resina de adsorab-8 [J]. Journal of Zhengzhou Institute of Technology, 2004, (2): 40-42

[22] Peng Yongfang, Ma Yinhai, Guo Xiaojin, et al. Adsory separación del pigmento amarillo de Melia azedarach por resina macropor[J]. Intercambio iónico y adsor, 1998, 14(6): 494-498

[23] Ma Yinhai, Yang Changhong. Adsory separación del pigmento rojo de Brassica oleracea por la resina X-5 [J]. Food Science, 1999(1): 32-34

[24] Zheng Jiansian. Food Engineering Separation Technology (en inglés) [M]. Beijing: prensa de la industria ligera, 1999: 70-72

[25] Lu Xiaoling, Yao Zhongming, Jiang Pingping. Estudio sobre la purificación del pigmento amarillo gardenia mediante cromatoen gel [J]. Food and fermentación Industry, 2003, 27(4): 39-42